JP5001577B2 - Position detection device - Google Patents
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Description
この発明は位置検出装置に関し、より詳しくはレゾルバに類似した構造を備えた位置検出装置に関する。 The present invention relates to a position detection device, and more particularly to a position detection device having a structure similar to a resolver.
この種の位置検出装置としては、例えば特許文献1に記載される技術が知られている。その技術にあっては、コイルとコンデンサで共振回路を構成し、コイルの自己インダクタンスまたはコンデンサの静電容量を変位に対して変化させると共に、変位によって共振回路の共振周波数の変化を検出することで、変位量の検出精度を向上させている。
従来技術においては静電容量に基づいて変位量を検出しているが、静電容量は間隔が所期のものから微小にずれても変化してしまうことから、検出条件を整えるのが煩瑣であるという不都合があった。また、静電容量から変位を求めるには共振周波数の検出が必要となるが、その共振周波数の検出にフィードバックを用いているため、検出の応答性に限界があった。また、共振周波数は、変位のみならず、温度などの外乱の影響を受けやすいという問題もあった。 In the prior art, the amount of displacement is detected based on the electrostatic capacity. However, since the electrostatic capacity changes even if the interval slightly deviates from the intended one, it is troublesome to prepare the detection conditions. There was an inconvenience. Further, in order to obtain the displacement from the capacitance, it is necessary to detect the resonance frequency. However, since feedback is used to detect the resonance frequency, there is a limit to the response of detection. In addition, the resonance frequency is susceptible to not only displacement but also disturbances such as temperature.
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、構成において簡易であると共に、検出応答性を改善し、さらに温度などの外乱に対するタフネスも向上させるようにした位置検出装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a position detection device that solves the above-described problems, is simple in configuration, improves detection response, and further improves toughness against disturbances such as temperature. .
上記の目的を達成するため、請求項1に係る位置検出装置にあっては、固定側に固定される複数個の固定側導電体と、変位側に固定されると共に、前記複数個の導電体と対向した位置に配置される変位側導電体と、前記複数個の固定側導電体に互いに異なる位相で電力を供給する第1、第2の電力供給手段と、前記複数個の固定側導電体と前記変位側導電体の間でそれぞれ生じる静電容量比を電位変化の位相として検出する位相検出手段と、前記検出された位相から変位量を演算する演算手段とを備え、前記固定側と前記変位側を共に同一半径の円盤形状とする一方、前記複数個の固定側導電体と前記変位側導電体を同一形状で、かつ扇形状を呈するように構成すると共に、一定の離間距離をおいて相対的に回転するように構成し、前記演算手段は、前記演算された変位量を、前記半径で除算することで絶対角を演算するように構成した。 In order to achieve the above object, in the position detecting device according to claim 1, a plurality of fixed-side conductors fixed to the fixed side, a plurality of conductors fixed to the displacement side, and the plurality of conductors A displacement-side conductor disposed at a position opposite to the first and second power supply means for supplying power to the plurality of fixed-side conductors in different phases, and the plurality of fixed-side conductors. wherein the phase detection means for detecting an electrostatic capacitance ratio respectively generated as a phase change in potential between the displacement side conductor, and a calculating means for calculating a displacement amount from the detected phase, and the fixed-side While both the displacement sides have a disk shape with the same radius, the plurality of fixed-side conductors and the displacement-side conductors have the same shape and a fan shape, and are spaced apart from each other. configured to rotate relative to the operation Stage, the calculated amount of displacement, and configured to calculate the absolute angle by dividing the radius.
請求項1に係る位置検出装置にあっては、複数個の固定側導電体と変位側導電体の間でそれぞれ生じる静電容量比を電位変化の位相として検出し、検出された位相から変位量を演算し、固定側と前記変位側を共に同一半径の円盤形状とする一方、複数個の固定側導電体と変位側導電体を同一形状で、かつ扇形状を呈するように構成すると共に、一定の離間距離をおいて相対的に回転するように構成し、演算された変位量を、半径で除算することで絶対角を演算する如く構成したので、上記した従来技術の欠点を解消することができ、構成において簡易であると共に、検出応答性を改善することができ、さらに温度などの外乱に対するタフネスも向上させることができる。また、固定側に対する変位側の絶対角の変化を精度良く検出することができる。 In the position detection device according to claim 1, the capacitance ratio generated between each of the plurality of fixed-side conductors and the displacement-side conductor is detected as a phase of potential change, and a displacement amount is detected from the detected phase. The fixed side and the displacement side are both disk-shaped with the same radius, while the plurality of fixed-side conductors and the displacement-side conductors are configured to have the same shape and a fan shape, and are constant. and configured to rotate relatively at a separation distance, the calculated displacement amount, since as configured for calculating the absolute angle by dividing a radius, that overcomes the disadvantages of the prior art described above In addition, the configuration is simple, the detection response can be improved, and the toughness against disturbances such as temperature can be improved. In addition, a change in absolute angle on the displacement side with respect to the fixed side can be detected with high accuracy.
以下、添付図面に即してこの発明に係る位置検出装置を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、この発明の第1実施例に係る位置検出装置を模式的に示す説明断面図である。 FIG. 1 is an explanatory sectional view schematically showing a position detection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
図1において、符号10は位置検出装置を示す。位置検出装置10は、固定側10aに固定(配置)された複数個、具体的には2個の導電板(導電体)12,14と、変位側10bに固定(配置)された1個の導電板(導電体)16を備える。導電板12,14は、電気的に接続しないように微小の間隔をおいて離間して配置される。
In FIG. 1, the code |
導電板16は導電板12,14に対して平行移動しつつ(距離を変えることなく)、変位に応じて重合(オーバーラップ)する面積を変化させるように構成される。理解の便宜のため、導電板16のうち、導電板12と重合する部分を16a、導電板14と重合する部分を16bと示す。
The
導電板12,14はそれぞれ、電源18,20に接続される。電源18,20は、互いに既知の異なる位相をもって変化する電圧(交流電圧)を生じて導電板12,14に供給する。導電板16は、同様に変位側10bに固定された導電板22に電線24を介して電気的に接続される。導電板22は、対向して配置された固定側10aの導電板26に対して平行移動しつつ、常に一定の重合面積をもつように配置される。
The
導電板26は位相検出回路30に接続され、そこで静電容量比の変化に起因する電位あるいは電流変化の位相が検出される。位相検出回路30は演算回路32に接続され、その出力、即ち、検出された位相は演算回路32に入力され、そこで検出された位相から変位量が演算される。導電板12,14,16は矩形状を呈すると共に、銅箔などの導電材からなる。位相検出回路30と演算回路32は、具体的には、マイクロコンピュータからなる。
The
図2は位置検出装置10の適用例を示す模式図である。この実施例に係る変位検出装置10は、例えば、車両のサスペンションの変位の検出に適用可能であり、その場合、固定側10aは車体(図示せず)に連結されるシリンダ100からなると共に、変位側10bはアクスル(図示せず)に連結されるピストン102からなる。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an application example of the
それらに出力側カップリングとして導電板22,26が接続され、位相が検出される。変位検出装置10の出力に基づき、例えば、アクティブサスペンションにおけるフィードバック信号が生成される。
図1の説明に戻ると、図示の構成において、導電板12,14,16は、奥行き方向長さをL,横方向長さをW、導電板12の(図1において)左端から導電板16の左端までの距離をxとすると、16aの部分の面積S16aと16bの部分の面積S16bは以下の通りとなる。
S16a=L×(W−x)
S16b=L×x
導電板12,14と導電板16は、その間の離間距離を常に一定のdに保ちつつ、相対的に移動(平行移動)する。
Returning to the description of FIG. 1, in the illustrated configuration, the
S16a = L × (W−x)
S16b = L × x
The
電源18,20によって導電板12,14に生じる電位Vをそれぞれ以下とする。
V12=V0×cos(ωt)、V14=V0×sin(ωt)
上記でV0およびωは適当な定数であり、tは時間を表わす変数である。
The potentials V generated on the
V12 = V0 × cos (ωt), V14 = V0 × sin (ωt)
In the above, V0 and ω are appropriate constants, and t is a variable representing time.
16a,16bの部分の静電容量はそれぞれ以下の如くになる。
C16a=εL(W−x)/d
C16b=εLx/d
上記でεは空気中の誘電率を表わす。
The capacitances of the
C16a = εL (W−x) / d
C16b = εLx / d
Where ε represents the dielectric constant in air.
従って、導電板16に生じる電荷Qは、以下のようになる。
Q=εV0/d×((W−x)cos(ωt)+xsin(ωt))
=εV0/d×√(W2−2Wx+2x2)cos(ωt−φ)・・・式1
ただし、tanφ=x/(W−x)である。
Therefore, the charge Q generated in the
Q = εV0 / d × ((W−x) cos (ωt) + xsin (ωt))
= ΕV0 / d × √ (W 2 −2Wx + 2x 2 ) cos (ωt−φ) Equation 1
However, tan φ = x / (W−x).
一方、導電板22,26によって決定される静電容量は、重合面積と導電板間の距離が一定であるため、常に一定となるので、位相検出回路30には、上記したQの位相を反映した電圧が入力される。従って、位相検出回路30は、式1よりtanφを導出し、演算回路32に出力する。演算回路32は、入力されたtanφより変位xを演算する。
On the other hand, the capacitance determined by the
この検出の原理について若干説明を補足すると、導電板26に生じる電荷Qは、上記の式1で示す如くとなるので、出力される電流Iは、図3の下部に式2として示す如くとなる。即ち、電源18,20が出力する交流の周波数が高い、換言すればωが大きい場合を想定しているので、∂x/∂t≒0、即ち、変位xを定数と見做している。その電流Iを電流センサ(図示せず)により電圧に変換し、式3に示す電位V’を求め、その中のφから静電容量比を求め、それから変位xを演算する。
If the explanation of the principle of this detection is supplemented slightly, the electric charge Q generated in the
第1実施例に係る位置検出装置10にあっては、導電板12,14と導電板16の間に構成されるコンデンサの静電容量比が変位によって変化することにより、導電板16側の電位変化の位相が電源18,20の位相の間で変化し、その導電板16側の電位変化は、導電板22,26によって構成されるコンデンサを介して位相検出回路30に入力され、位相検出回路30が入力された電位変化の位相を演算回路32に出力する如く構成した。それによって、簡易な構成でありながら、従来技術のようにフィードバックなどの時間を要する処理を用いることなく、変位を迅速にかつ精度良く検出することができる。
In the
また、変位に伴う位相の変化は、導電板12,16および導電板14,16によって構成される2個のコンデンサの静電容量比となるため、固定側と変位側の距離変化や温度による静電容量の変化が相殺され、外乱に影響されずに、変位を精度良く検出することができる。
In addition, since the phase change due to the displacement is the capacitance ratio of the two capacitors constituted by the
図4は、この発明の第2実施例に係る位置検出装置を模式的に示す説明断面図である。 FIG. 4 is an explanatory sectional view schematically showing a position detection apparatus according to the second embodiment of the present invention.
第2実施例において、位置検出装置10は絶対角検出器として構成され、半径r、奥行きLの円筒形状を呈すると共に、円筒の軸を中心に自由に回転する変位側10bと、変位側10bと一致した中心軸をもつ、半径r+d、奥行きLの円筒形状の中空をもつ固定側10aにより構成される。ただし、dはrに対して十分短い距離とする。
In the second embodiment, the
第2実施例に係る位置検出装置10は、例えば、図5に示す如く、内燃機関104のクランクシャフト106の一端に固定されてクランク角度を検出するように構成される。よって得られた検出角度は、給排気バルブのタイミングの制御などに使用される。
For example, as shown in FIG. 5, the
第2実施例において、固定側10aには導電板(導電体)42,44が配置され、その導電板と対向するように、変位側10bに導電板(導電体)46が配置され、変位側10bの絶対角の変化により、導電板46の面積のうち、導電板42と重なる面積46aと、導電板44と重なる面積46bが変化するように構成される。
In the second embodiment, conductive plates (conductors) 42 and 44 are disposed on the fixed
導電板46は、変位側10bに配置された導電板(導電体)48に電線50を介して電気的に接続され、導電板48と対向するように、固定側10aに導電板(導電体)52が配置され、導電板48と導電板52の重合する面積および間隔(離間距離)は、絶対角にかかわらず、一定とされる。
The
導電板42,44はそれぞれ電源54,56に接続され、電源54,56はそれぞれ以下の電位を生じて導電板42,44に供給する。
V42=V0×cos(ωt)
V44=V0×sin(ωt)
The
V42 = V0 × cos (ωt)
V44 = V0 × sin (ωt)
導電板42,44,46は、奥行き方向長さL,円周方向長さWの長方形を円筒に貼り付けたような形状を呈し、導電板42、44と導電板46の間の間隔(離間距離)は、LやWに対して十分小さな一定の距離dに保たれる。
The
導電板42の上端から導電板46の上端までの長さを図4に示すようにxとすると、46a部分と46b部分の面積は以下の通りとなる。
S46a=L×(W−x)
S46b=L×x
上記で、第1実施例と同様、V0およびωは適当な定数、tは時間を表わす変数である。
Assuming that the length from the upper end of the
S46a = L × (W−x)
S46b = L × x
As in the first embodiment, V0 and ω are appropriate constants, and t is a variable representing time.
上記した構成において、位相検出回路30と演算回路32で第1実施例と同様の処理を行うことにより、変位xを検出し、それから絶対角θを下記の通りに検出することができる。
θ=x/r[rad]
In the configuration described above, the
θ = x / r [rad]
第2実施例に係る位置検出装置10にあっても、導電板42,44と導電板46の間に構成されるコンデンサの静電容量比が変位によって変化することにより、導電板46側の電位変化の位相が電源54,56の位相の間で変化し、その導電板46側の電位変化は、導電板48,50によって構成されるコンデンサを介して位相検出回路30に入力され、位相検出回路30が入力された電位変化の位相を演算回路32に出力する如く構成したので、簡易な構成でありながら、従来技術のようにフィードバックなどの時間を要する処理を用いることなく、絶対角を迅速にかつ精度良く検出することができる。
Even in the
図6は、この発明の第3実施例に係る位置検出装置を模式的に示す説明断面図である。 FIG. 6 is an explanatory sectional view schematically showing a position detection apparatus according to the third embodiment of the present invention.
第3実施例に係る位置検出装置10も絶対角検出器として構成され、半径rの円盤形状を呈し、円盤の中心軸を中心に自由に回転する変位側10bと、変位側10bと一致した中心軸をもつ、半径rの同様に円盤形状を呈する固定側10aにより構成される。ただし、固定側円盤と変位側円盤は、rに対して十分小さな距離dをもって平行に保たれる(相対回転する)。
The
固定側10aに導電板(導電体)62,64が配置され、その導電板と対向するように、変位側10bに導電板(導電体)66が配置され、変位側10bの絶対角の変化により、導電板66の面積のうち、導電板62と重なる面積66aと、導電板64と重なる面積66bが変化するように構成される。
Conductive plates (conductors) 62 and 64 are disposed on the fixed
導電板66は、変位側10bに配置された導電板(導電体)68に電線70を介して電気的に接続され、導電板68と対向するように、固定側10aに導電板(導電体)72が配置される。導電板68と導電板72の重合する面積および間隔(離間距離)は、絶対角にかかわらず、一定とされる。
The
導電板62,64はそれぞれ電源74,76に接続され、電源74,76はそれぞれ以下のような電位を生じて導電板62,64に供給する。
V62=V0×cos(ωt)
V64=V0×sin(ωt)
The
V62 = V0 × cos (ωt)
V64 = V0 × sin (ωt)
導電板62,64,66は、外周半径r、内周半径r’、円周方向の長さがλの扇形状を呈し、導電板62,64と導電板66の間の間隔(離間距離)は、r,r’やλに対して十分小さな一定の距離dに保たれる。
The
導電板62の上端から導電板66の上端までの長さを図6に示すようにxとすると、66a部分と66b部分の面積は下記の通りとなる。
S66a=(λ−x)×(r−r’)/2
S66b=x×(r−r’)/2
従前の実施例と同様、V0およびωは適当な定数、tは時間を表わす変数である。
The length from the upper end of the
S66a = (λ−x) × (r−r ′) / 2
S66b = xx (r−r ′) / 2
As in the previous embodiment, V0 and ω are appropriate constants, and t is a variable representing time.
上記した構成において第1実施例と同様の処理を行うことにより、変位xを検出し、それから絶対角θを下記の如く検出することができる。
θ=x/r[rad]
By performing the same processing as in the first embodiment in the above configuration, the displacement x can be detected, and then the absolute angle θ can be detected as follows.
θ = x / r [rad]
第3実施例に係る位置検出装置10にあっても、導電板62,64と導電板66の間に構成されるコンデンサの静電容量比が変位によって変化することにより、導電板66側の電位変化の位相が電源74,76の位相の間で変化し、その導電板66側の電位変化は、導電板68,72によって構成されるコンデンサを介して位相検出回路30に入力され、位相検出回路30が入力された電位変化の位相を演算回路32に出力する如く構成したので、簡易な構成でありながら、従来技術のようにフィードバックなどの時間を要する処理を用いることなく、絶対角を迅速にかつ精度良く検出することができる。
Even in the
第3実施例に係る位置検出装置10にあっては、上記の如く、固定側10aに固定される複数個の、より具体的には2個の固定側導電体(導電板62,64)と、変位側10bに固定されると共に、前記複数個の導電体と対向した位置に配置される変位側導電体(導電板66)と、前記複数個の固定側導電体に互いに異なる位相で電力を供給する第1、第2の電力供給手段(電源74,76)と、前記複数個の固定側導電体と前記変位側導電体の間でそれぞれ生じる静電容量比を電位変化の位相として検出する位相検出手段(位相検出回路30)と、前記検出された位相から変位量xを演算する演算手段(演算回路32)とを備え、前記固定側と前記変位側を共に同一半径rの円盤形状とする一方、前記複数個の固定側導電体と前記変位側導電体を同一形状で、かつ扇形状を呈するように構成すると共に、一定の離間距離をおいて相対的に回転するように構成し、前記演算手段は、前記演算された変位量xを、前記半径rで除算することで絶対角θを演算するように構成した。
In the
また、前記固定側導電体と前記変位側導電体(導電板42,44,46、導電板62,64,66)を、略同一形状を呈するように構成した。
The fixed-side conductor and the displacement-side conductor (conductive plates 4 2, 4 4, 4 6 ,
10 位置検出装置、10a 固定側、10b 変位側、12,42,62 固定側の導電板(導電体)、14,44,64 固定側の導電板(導電体)、16,46,66 変位側の導電板(導電体)、18,20,54,56,74,76 電源(第1、第2の電力供給手段)、22,48,68 変位側の導電板(導電体)、26,52,72 固定側の導電板(導電体)、30 位相検出回路、32 演算回路
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